Chương 2: Sợi Quang 79 c. Các tham số của tín hiệu quang phụ thuộc vào cường độ (công suất) ánh sáng. d. Tất cả các câu trên đều đúng. 2.10 Câu nào trong những câu sau đây là đúng cho hiện tượng phi tuyến trong sợi quang: a. Hiện tượng công suất của tín hiệu quang bị suy giảm khi lan truyền trong sợi quang. b. Hiện tượng giãn xung ánh sáng khi lan truyền trong sợi quang. c. Các tham số của tín hiệu quang phụ thuộc vào cường độ (công suất) ánh sáng. d. T ất cả các câu trên đều đúng. 2.11 Hiện tượng suy hao có thể so sánh với hiện tượng sau: a. Khi xe hơi chạy trên xa lộ thì bình xăng cạn dần. b. Xe hơi va chạm với một xe hơi khác khi chạy trên xa lộ. c. Các xe hơi chạy trên các làn khác nhau của một xa lộ được phần luồng. d. Tất cả các câu trên đều đúng. 2.12 Hiện tượng tán sắc có thể so sánh với hiện tượ ng sau: a. Khi xe hơi chạy trên xa lộ thì bình xăng cạn dần. b. Xe hơi va chạm với một xe hơi khác khi chạy trên xa lộ. c. Các xe hơi chạy trên các làn khác nhau của một xa lộ được phần luồng. d. Tất cả các câu trên đều đúng. 2.13 Cửa sổ quang dùng cho các hệ thống quang SDH/ SONET là 1550nm vì: a. Suy hao của sợi quang ở cửa sổ này là nhỏ nhất b. Tán sắc màu của sợi quang ở cửa sổ là nhỏ nhất. c. Các hiện tượng phi tuyến là nhỏ nhất. d. Tất cả các câu trên đều đúng. 2.14 Suy hao do hấp thụ bởi OH- có các đỉnh: a. 750nm. b. 950nm. c. 1400nm. d. Tất cả các câu trên đều đúng. 2.15 Suy hao do tán xạ tuyến tính là do: a. Sự phụ thuộc của chiết suất sợi quang vào cường độ điện trường hoạt độ ng. b. Sự không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi quang làm năng lượng từ mode lan truyền được truyền sang một mode khác (gọi là mode bức xạ). c. Các tạp chất như OH- hấp thụ năng lượng ánh sáng. d. Năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn. Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi các phonon. 2.16 Các hiệu ứng Kerr bao g ồm: a. Hiệu ứng tự điều pha (SPM). b. Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM). c. Hiệu ứng trộn bốn tần số (FWM). d. Tất cả các câu trên đều đúng. Chương 2: Sợi Quang 80 2.17 Hiệu ứng tán xạ phi tuyến bao gồm: a. Tán xạ do kích thích Brillouin (SBS). b. Tán xạ do kích thích Raman (SRS). c. Tán xạ Rayleigh. d. Chỉ có a và b đúng. 2.18 Sợi quang DSF G.653 có : a. Suy hao nhỏ nhất và tán sắc bằng không ở vùng cửa sổ 1300nm. b. Suy hao nhỏ nhất ở vùng cửa sổ 1300nm và tán sắc bằng không ở vùng cửa sổ 1550nm. c. Suy hao nhỏ nhất ở vùng cửa sổ 1550nm và tán sắc bằng không ở vùng cử a sổ 1330nm. d. Suy hao nhỏ nhất và tán sắc bằng không ở vùng cửa sổ 1550nm. 2.19 Các hiệu phi tuyến có thể giảm được khi sử dụng: a. Sợi quang CSF G.654. b. Sợi quang DSF G.653. c. Sợi quang NZ-DSF G.655. d. Tất cả các loại sợi quang trên. 2.20 Sợi quang có tán sắc âm được dùng cho các tuyến dưới biển là do: a. Tán sắc âm làm xung quang co lại. b. Không xảy ra hiện tượng không ổn định đi ều chế. c. Không cần nâng cấp để sử dụng dải L. d. Chỉ có b và c đúng. 2.21 Để giảm suy hao do uốn cong: a. Thiết kế sợi quang có độ chênh lệch chiết suất lớn và hoạt động ở bước sóng ngắn hơn có thể. b. Thiết kế sợi quang có độ chênh lệch chiết suất nhỏ và hoạt động ở bước sóng ngắn hơn có thể. c. Thiết kế sợi quang có độ chênh lệch chiết suất nhỏ và hoạt động ở bước sóng dài hơn có thể. d. Thiết kế sợi quang có độ chênh lệch chiết suất lớn và hoạt động ở bước sóng dài hơn có thể. 2.22 Khi tán sắc lớn để tăng cự ly truyền dẫn: a. Tăng công suất phát quang. b. Giảm công suất phát quang. c. Tăng tốc độ bit truyền trên sợi quang. d. Giảm tốc độ bít truyền trên sợi quang. 2.23 Trong sợi đơn mode có thể bỏ qua ảnh hưởng có tán sắc: a. Tán sắc mode. b. Tán sắc vật liệu. Chương 2: Sợi Quang 81 c. Tán sắc ống dẫn sóng. d. Tán sắc phân cực mode. 2.24 Trong hệ thống thông tin quang, cự ly truyền dẫn sẽ vô cùng lớn: a. Nếu có thể tăng công suất phát quang lên vô cùng lớn. b. Nếu giảm tán sắc tổng cộng bằng không. c. Cả a và b đều đúng. d. Cả a và b đều sai. 2.25 Trong các loại sợi quang mới, để dịch chuyển tán sắc tối thiểu tới vùng bướ c sóng 1550 nm, người ta : a. Pha thêm một số tạp chất như Ge 2 O 5 và P 2 O 5 để làm giảm tán sắc vật liệu. b. Thay đổi mặt cắt chỉ số chiết suất lõi để thay đổi tán sắc ống dẫn sóng. c. Kết hợp cả hai phương pháp a và b. d. Không có phương pháp nào. BÀI TẬP Các bài tập sau đây được trích từ tài liệu tham khảo [1] 2.1 Cho sợi quang có chiết suất lõi là n 1 =1,5 và chiết suất lớp bọc là n 2 = 1.47. Xác định: a) Góc tới hạn θc tại giao tiếp lớp lõi và lớp bọc. b) Khẩu độ số NA của sợi quang. c) Góc tiếp nhận từ không khí vào sợi quang θ a . 2.2 Độ chênh lệch chiết suất của sợi quang là Δ=1%. Chiết suất lớp lõi là n 1 = 1.46. Xác định: a) Khẩu độ số NA của sợi quang. b) Góc tới hạn tại giao tiếp lớp lõi và lớp bọc θ c . 2.3 Cho sợi quang đa mode chiết suất bậc có đường kính lõi là 2a = 80 μm và độ chênh lệch chiết suất tương đối là Δ=1.5% hoạt động ở bước sóng λ = 0.85 μm. Xác định: a) Tần số được chuẩn hóa V của sợi quang. b) Số mode sóng truyền được trong sợi quang N 2.4 Cho sợi quang chiết suất biến đổi theo dạng parabol có đường kính lõi 2a = 50 μm. Sợi quang có khẩu độ số NA = 0.2. Xác định số mode sóng N có thể truyền được trong sợi khi nó hoạt động ở bước sóng λ = 1 μm 2.5 Xác định bước sóng cắt λ c để sợi quang chiết suất bậc họat động ở chế độ đơn mode nếu sợi có chiết suất lõi n 1 = 1.46, bán kính lõi a = 4.5 μm, và độ chênh lệch chiết suất tương đối là Δ = 0.25%. 2.6 Tính bán kính lõi a của sợi quang đơn mode SI có đường kính trường mode (MFD) bằng 11.6 μm khi tần số được chuẩn hóa V = 2.2. 2.7 Cho sợi quang đa mode có độ lệch chiết chuất tương đối Δ = 1%, chiết suất lõi n 1 = 1.5. số mode sóng truyền được trong sợi quang tại bước sóng λ = 1.3 μm là N = 1100. Tính đường kính lõi sợi 2a. Chương 2: Sợi Quang 82 2.8 Cho tỉ số bằng số giữa công suất ngõ vào và ngõ ra trên 1 km là 2.5. Tính công suất quang trung bình thu được trên tuyến quang dài 5 km nếu công suất quang trung bình phát vào sợi quang là 1mW (giả sử tuyến không có bộ kết nối hoặc connector). 2.9 Cho sợi quang dài L= 8 km. Công suất đưa vào sợi quang là P in =120 μW, công suất quang ỡ ngõ ra là P out =3 μW. Tính: a) Suy hao toàn trình A (dB) của sợi quang. Giả sử không có connector hoặc mối nối nào. b) Hệ số suy hao của sợi quang α(dB/km). c) Cũng dùng sợi quang tương tự như trên nhưng chiều dài là L=10km và có mối nối trên mỗi km với suy hao mối nối là 1 dB. Tính suy hao toàn trình trong trường hợp này. d) Tỉ số P in /P out bằng số của câu (c ). 2.10 Cho công suất quang trung bình phát vào tuyến cáp sợi quang là 1.5 mW và sợi quang có suy hao 0.5 dB/km. Tính chiều dài tối đa của tuyến mà không cần phải sử dụng trạm lặp (giải sử các connector không có suy hao) khi mức công suất trung bình tối thiểu cần có tại bộ tách quang là 2 μW. 2.11 Cho một tuyến cáp sợi quang dài 15 km có suy hao 1.5 dB/km. Sợi quang được kết nối trên từng kilometre bằng các connector có suy hao 0.8 dB/connector. Tính công suất trung bình tối thiểu cần phải phát vào sợi quang để duy trì mức công suất quang trung bình tại bộ tách quang là 0.3 μW. 2.12 Cho sợi quang silica, có hệ số nén đẳng nhiệt tại nhiệt độ T F =1400K là β c =7x10 -11 m 2 /N. Chiết suất n=1.46, hệ số quang đàn hồi p=0.286. Xác định hệ số suy hao α(dB/km) tại các bước sóng λ=0.65 μm, 1 μm, 1.3 μm. Hằng số Boltzman K=1.381x10-23 J/K. 2.13 Cho sợi quang lõi thủy tinh K 2 o-SiO 2 có suy hao do tán xạ Rayleigh α = 0.46 dB/km tại bước sóng λ = 1μm. Thủy tinh có hệ số nén đẳng nhiệt β c =8.4x10 -11 m 2 /N tại nhiệt độ T F = 758 K, và hệ số quang đàn hồi p = 0.245. Tính chiết suất của lõi sợi n 1 . 2.14 Cho sợi quang đơn mode SI có chiết suất lõi là n 1 = 1.49 có bán kính uốn cong tới hạn bằng 2 mm khi được phát quang bằng ánh sáng có bước sóng λ = 1.30 μm. Tính độ lệch chiết suất tương đối Δ nếu bước sóng cắt của sợi quang là λ c = 1.15 μm. 2.15 Cho hai sợi quang có các tham số sau: a) Sợi đa mode có chiết suất lõi n 1 = 1.5, độ lệch chiết suất tương đối Δ = 3% và hoạt động ở bước sóng λ = 0.82 μm. b) Sợi đơn mode có đường kính lõi 2a = 8 μm, chiết suất lõi n 1 = 1.5, độ lệch chiết suất tương đối Δ = 0.3% và hoạt động ở bước sóng λ = 1.55 μm. Tính bán kính uốn cong R c cho phép trong hai trường hợp này. 2.16 Cho sợi quang đa mode, chiết suất nhảy bậc có độ dãn xung tổng cộng trên L=15 km là D t = 0.1 μm.Tính a) Dải thông tối đa có thể trên tuyến quang này để không có giao thoa giữa các ký tự. b) Độ tán sắc d t (ns/km). c) Tích dải thông – chiều dài B opt L Chương 2: Sợi Quang 83 2.17 Một sợi thủy tinh có tán sắc chất liệu được cho bởi: 2 1 2 2 λ λ d nd =0,025. Hãy xác định hệ soá tán sắc vật liệu M ở bước sóng λ= 0,85 μm, và tính độ trải rộng xung hiệu dụng trên mỗi Km σ m khi nguồn quang LED phát ra bước sóng 850 nm có độ rộng phổ hiệu dụng σ λ = 20nm. 2.18 Tính độ trải độ rộng xung hiệu dụng trên mỗi km σ m trong bài tập 2.10 khi nguồn quang được sử dụng là nguồn lsaer có độ rộng phổ tương đối σ λ /λ = 0.0012 tại bước sóng 0.85 μm. 2.19 Một tuyến quang 6Km dùng sợi đa mode SI, lõi có chiết suất n 1 bằng 1,5, độ chênh lệch chiết suất tương đối Δ = 1%. Hãy xác định: a) Thời gian chênh lệch giữa mode nhanh nhất và mode chậm nhất ΔT mode (SI) . b) Ðộ trải rộng xung hiệu dụng do tán sắc mode trên tuyến σ mode(SI) . c) Tốc độ bit cực đại có thể đạt được, giả sử chỉ có tán sắc mode B T(max) . d) Tích dải thông với chiều dài ở câu (c) B opt xL. 2.20 Hãy so sánh độ trải rộng xung hiệu dụng trên mỗi Km do tán sắc mode của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc trong trong bài tập 2.12 với sợi đa mode chiết suất giảm dần có phân bố chiết suất tối ưu có cùng chiết suất lõi n 1 và Δ. 2.21 Cho sợi quang đa mode chiết suất bậc có khẩu độ số NA = 0.3, chiết suất lõi n 1 = 1.45. Hệ số tán sắc vật liệu M = 250 ps.nm/km. Bỏ qua tán sắc ống dẫn sóng. Tính : a) Độ trải rộng xung hiệu dụng tổng cộng σ t nếu sử dụng nguồn LED có độ rộng phổ hiệu dụng σ λ = 50 nm. b) Tích dải thông tương ứng với độ dài B opt xL 2.22 Cho sợi quang đa mode chiết suất bậc có độ trải rộng xung tổng cộng là 95 ns trên chiều dài 5 km. Tính tích dải thông – chiều dài nếu mã NRZ được sử dụng. 2.23 Cho sợi đơn mode có tích dải thông – chiều dài bằng 10 GHz.km. Tính độ trải rộng xung hiệu dụng trên tuyến quang dài 40 km không có các trạm lặp, và sử dụng mã RZ. 2.24 Cho sợi đơn mode chiết suất bậc với chiết suất lõi n 1 = 1.49 có bán kính uốn cong cho phép R c = 2mm khi được phát sáng ở bước sóng λ = 1.30 μm. Tính độ chênh lệch chiết suất tương đối Δ nếu bước sóng cắt λ c = 1.15μm. 2.25 Một tuyến cáp sợi quang dài 8 km không có trạm lặp sử dụng sợi quang đa mode chiết suất bậc có tích dải thông – chiều dài bằng 400 MHz.km. Tính : a) Độ trải rộng xung tổng cộng trên toàn tuyến ; b) Độ trải rộng xung tổng cộng hiệu dụng trên tòan tuyến . TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Optical Fiber Communications: Principles and Practice, Second Edition- John M. Senior. 2. Fiber–Optic Communications Technology -Djafar K.Mynbaev, Lowell L.Scheiner, 2001. 3. Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition- Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, 2002. 4. Kỹ thuật thông tin quang – Hoàng Ứng Huyền, Hà Nội 1993. Chương 3 Bộ phát quang 89 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 3.1.1- Mức năng lượng (Energy Level) Quá trình biến đổi năng lượng điện thành ánh sáng và ngược lại trong các linh kiện biến đổi quang điện có thể được giải thích dựa trên tính chất hạt của ánh sáng và tính chất lượng tử của vật chất. Theo tính chất hạt của ánh sáng, ánh sáng bao gồm nhiều hạt gọi là photon. Mỗi photon mang một năng lượng nhất định được xác định bằng công thức sau: E ph = hf (3.1) Trong đó, h là hằng số Plank (h= 6,625x10 -34 J.s); f là tần số của photon ánh sáng. Năng lượng của ánh sáng bằng tổng năng lượng của các photon (N ph ): E ánh sáng = N ph x E ph (3.2) Theo tính chất lượng tử của vật chất, vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm có một hạt nhân, mang điện tích dương, được bao quanh bởi các điện tử (electron), mang điện tích âm. Các điện tử này quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định (hình 3.1) và mang một mức năng lượng nhất định [1]. Hình 3.1. Mô hình một nguyên tử với các điện tử quay hạt nhân với các quỹ đạo ổn định Các mức năng lượng này là không liên tục. Một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc này. Khi điện tử thay đổi trạng thái năng lượng thì nó sẽ chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi quay quanh hạt nhân. Trạng thái năng lượng của điệ n tử trong một nguyên tử được minh hoạ qua biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) như hình 3.2. Trạng thái nền (ground state) E 1 E 0 E 2 E 3 E 4 Năng lượng E(eV) Dải cấm năng luợng (energy gap) ΔE ij =E j - E i Hình 3.2. Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) Chương 3 Bộ phát quang 90 Trong biểu đồ mức năng lượng, trạng thái năng lượng thấp nhất của điện tử được gọi là trạng thái nền (ground state) E 0 . Đây là trạng thái ổn định của điện tử. Các trạng thái năng lượng cao hơn của điện tử được gọi là các trạng thái kích thích (excited state) được biểu diễn bằng các mức năng lượng E 1 , E 2 , E 3 , … Các mức năng lượng này không liên tục và cách nhau một khoảng năng lượng được gọi là dải cấm năng lượng (energy gap) ΔE ij = E j – E i (i,j = 0,1,2,3 …). Như vậy, năng lượng một điện tử có thể là E 0 , E 1 , E 2 … chứ không nằm giữa các mức năng lượng này. Mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và có thể được biểu diễn bằng hàm phân bố Boltzmann [2]: ]/[ 0 TkE i Bi eNN Δ− ×= (3.3) Trong đó, N i và N 0 là mật độ điện tử ở mức năng lượng E i và mức năng lượng nền E 0 , ΔE i là độ chênh lệch năng lượng giữa E i và E 0 ; k B = 1,38.10 -23 (J/ o K) là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối ( o K). Lưu ý rằng phân bố này xảy ra khi “cân bằng về nhiệt”. Mật độ điện tử Năn g lượn g E ex p( - Δ E i / k B T ) E 0 E i N i N 0 Hình 3.3 . Phân bố mật độ điện tử theo phân bố Boltzmann khi cân bằng về nhiệt Một số nhận xét rút ra từ hàm phân bố Boltzmann: - Mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng thấp cao hơn so với mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng cao: N i > N j (với i<j) - Mật độ điện tử ở trạng thái nền là lớn nhất. - Tại T = 0 o K (nhiệt độ không tuyệt đối), tòan bộ điện tử ở trạng thái nền. Không có điện tử ở trạng thái kích thích. - Khi nhiệt độ tăng lên, T > 0 o K, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng do nhiệt độ cung cấp (năng lượng nhiệt) và thay đổi trạng thái năng lượng, chuyển từ mức năng lượng E 0 lên các mức năng lượng cao hơn. Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi nhiệt độ tăng lên. Mật độ điện tử ở các mức năng lượng khác nhau ổn định khi cân bằng về nhiệt vì đồng thời với quá trình hấp thụ năng lượng của điện tử (làm tăng mật độ điện tử ở các mứ c năng lượng cao và giảm mật độ điện tử ở mức nền) là quá trình trở về trạng thái năng lượng nền ban đầu của các điện tử khi ở các mức năng lượng cao. Hiện tượng này xảy ra vì trạng thái nền là trạng thái Chương 3 Bộ phát quang 91 năng lượng bền vững của điện tử. Các điện tử khi ở các trạng thái năng lượng kích thích luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian duy trì ở trạng thái kích thích. Khoảng thời gian này được gọi là thời gian sống (lifetime) của điện tử. Thời gian sống thay đổi tùy theo loại vật chất, thông thường trong khoảng vài nano giây đến vài micro giây. Khi đi ện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn, theo định luật bảo tòan năng lượng, nó sẽ giải phóng một phần năng lượng bằng đúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng. Năng lượng được giải tỏa này có thể ở dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Quá trình này diễn ra tự nhiên và ngẫu nhiên vì đây là bản chất t ự nhiên của vật chất. 3.1.2- Các nguyên lý biến đổi quang điện Nguyên lý biến đổi quang điện trong thông tin quang được thực hiện dựa trên 3 hiện tượng được minh hoạ như trên hình 3.4. Hình 3.4. Các hiện tượng biến đổi quang điện (a). Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 3.4.a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E 1 . Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 3.4.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E 2 xuống mức năng lượng thấp E 1 và phát ra một năng lượng E g = E 2 – E 1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E 2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision), hình 3.4.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E 2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra). Photon mới được tạo ra có đặc điểm: cùng tần s ố, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu. Đây là các đặc điểm của tính kết hợp (coherent) của ánh sáng. Do vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn định có năng lượng thấp hơn. Các photon ánh E 1 E 2 hf E 1 E 2 hf hf (cùng h) hf E 1 E 2 a. Hấp thụ (Absorption) b. Phát xạ tự phát (Spontaneous emission) c. Phát xạ kích thích (Stimulated emission) Chương 3 Bộ phát quang 92 sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian. Do đó, pha, tần số, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên. Vì vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp. Hình 3.5 minh hoạ các trạng thái thay đổi năng lượng của điện tử khi xảy ra 3 hiện tượng biến đổi quang điện nêu trên. Hình 3.5 Minh hoạ các trạng thái chuyển đổi năng lượng giữa điện tử và photon [2] Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từng loại linh kiện. Ví dụ như: - Hấp thụ là nguyên lý biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang (photodetector) - Phát xạ tự phát là nguyên lý bi ến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong LED (Light Emitting Diode). Vì vậy, ánh sáng do LED phát ra không có tính kết hợp. - Phát xạ kích thích là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Hiện tượng này cũng là nguyên lý khuếch đại tín hiệu ánh sáng xảy ra trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Ánh sáng đuợc tạo ra sau Laser cũng như các bộ khuếch đại quang có tính kết hợp. Lưu ý rằng, trong tự nhiên, cả ba hiện tượng này xảy ra đồng thời v ới nhau. Quá trình hấp thụ năng lượng photon (hiện tượng hấp thụ) và phát xạ photon (hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích) cân bằng với nhau trong điều kiện cân bằng về nhiệt (Khi đó, phân bố điện tử ở các mức năng lượng khác nhau là ổn định theo phân bố Boltzmann). Tùy theo mục đích ứng dụng của từng loại kiện quang điện, một trong các hiện tượng này sẽ được tập trung, làm tăng khả năng xảy ra dưới các điều kiện ảnh hưởng bên ngoài nhằm đạt được hiệu suất cao nhất. Chi tiết về các điều kiện này sẽ được phân tích cụ thể trong phần trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện biến đổi quang điện. 3.1.3. Vùng năng lượng (Energy Band): Trong chất bán dẫn (cũng như trong chất rắn nói chung), các mức năng lượng vẫn rời rạc nhưng chúng rất là gần nhau và được xem như một vùng năng lượng hơn là một nhóm các mức năng lượng. Khái niệm này có thể được minh hoạ trong hình 3.6 khi một khoảng liên tục của vùng năng lượng khi được phóng to lên sẽ cho thấy nó được cấu tạo bởi các mức năng lượng rờ i rạc nhau [1]. a. Hi ệ n tư ợ n g hấ p th ụ và p hát x ạ t ự p há t b . Hi ệ n tư ợ n g p hát x ạ kích thích [...]... xạ có bước sóng: λ = h.c/Eg (3 .5) Do mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có phân bố các vùng năng lượng khác nhau nên có thể nói rằng bước sóng của ánh sáng do nguồn quang phát ra chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang Trong thơng tin quang, ánh sáng chỉ được sử dụng tại 3 cửa sổ bước sóng 850 nm, 13 00nm và 15 50 nm nên vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo nguồn quang phải có dải cấm năng lượng... GaAs/InP AlGaAs GaAsP GaAs 0 ,5 0,6 0,7 0, 85 1, 0 1, 3 λ(μm) 1, 55 Hình 3.8 Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V [6] Hình 3.8 cho thấy: để tạo ra nguồn quang có bước sóng 850 nm người ta sử dụng bán dẫn AlGaAs, GaAs hay InP Bán dẫn InGaAsP được sử dụng để chế tạo nguồn quang phát ra ánh sáng tại cửa sổ bước sóng 13 00nm và 15 50 nm Giá trị của bước sóng được thay đổi bằng... thơng tin quang 95 Chương 3 Bộ phát quang Thực tế cho thấy rằng, các bán dẫn thơng thường thuộc nhóm IV như Si, Ge,… khơng thỏa hai điều kiện trên Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo nguồn quang trong thơng tin quang được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nhóm III (Ga, Al, …) và nhóm V (As, P, In, …) như GaP, GaAsP, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAsP … InGaAsP GaAs/InP AlGaAs GaAsP GaAs 0 ,5 0,6 0,7 0, 85 1, 0... mơi trường bên ngồi - Giá thành thấp và có độ tin cậy cao để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác Loại nguồn quang được sử dụng trong thơng tin quang là các loại nguồn quang bán dẫn vì có thể đáp ứng được các u cầu trên Vì vậy, cấu tạo cũng như ngun lý hoạt động của nguồn quang (cũng như linh kiện thu quang) được trình bày trong phần này là các nguồn quang bán dẫn Tuy nhiên, khơng phải chất bán... khơng xảy ra 3 .1. 4 Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source) Nguồn quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có cơng suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thơng tin quang: - Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) - Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Các u cầu đối với một nguồn quang sử dụng trong... phát quang: 97 Chương 3 Bộ phát quang P(mW) = [(ηint.Eph(eV)].I(mA) (3.9) Hiệu suất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn quang Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau Cơng suất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 3 .10 P(mW) 10 5 I(mA) 0 10 0... 200 Hình 3 .10 Đặc tuyến P-I của LED 3.2.3- Đặc tính phổ của LED Trong thơng tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra khơng phải tại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng Điều này dẫn đến hiện tương tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) làm hạn chế cự ly và dung lượng truyền dẫn của tuyến quang Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng được giải thích như sau [1] (hình 3 .11 ): - Các... khoảng bước sóng [1] 1 Cơng suất chuẩn hóa 0 .5 Δλ λp λ(nm) Hình 3 .12 Đặc tính phổ của LED Độ rộng phổ nguồn quang được định nghĩa là khoảng bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra có cơng suất bằng 0 .5 lần cơng suất đỉnh (hay giảm 3 dB) Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang Ánh sáng có bước sóng 1, 3 μm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50 -60nm LED được... quang sử dụng trong hệ thống thơng tin quang là [3]: - Có kích thuớc nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang Lý tưởng, ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao - Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính 93 Chương 3 Bộ phát quang - Phát ra ánh sáng có bước sóng... quang tại các bước sóng khác nhau khơng đều nhau - Bước sóng có cơng suất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm Bước sóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ 98 Chương 3 Bộ phát quang E Vùg dẫ n n (Conduction band) 1 λ3 λ2 λ4 Vùg hoá n trò (Valence band) Hình 3 .11 Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng [1] . sổ 15 50nm. 2 .19 Các hiệu phi tuyến có thể giảm được khi sử dụng: a. Sợi quang CSF G. 654 . b. Sợi quang DSF G. 653 . c. Sợi quang NZ-DSF G. 655 . d. Tất cả các loại sợi quang trên. 2.20 Sợi quang. Sivarajan, 2002. 4. Kỹ thuật thông tin quang – Hoàng Ứng Huyền, Hà Nội 19 93. Chương 3 Bộ phát quang 89 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 3 .1. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 3 .1. 1- Mức năng lượng. sóng λ = 1 m. Thủy tinh có hệ số nén đẳng nhiệt β c =8.4x10 -11 m 2 /N tại nhiệt độ T F = 758 K, và hệ số quang đàn hồi p = 0.2 45. Tính chiết suất của lõi sợi n 1 . 2 .14 Cho sợi quang đơn